Figura de Mérito de Baliga Aprimorada em um Novo FET Vertical de Nano-Pilar de GaN com Canal 2DEG e Substrato Padronizado

Resumo

Um novo transistor de efeito de campo (FET) vertical de GaN do modo de realce, incorporando um gás de elétrons bidimensional (2DEG) e um padrão de substrato (SP), é apresentado. Ao ajustar a largura e a altura do SP, o dispositivo alcança uma resistência no estado ligado (R_ON) menor, mantendo uma alta tensão de ruptura (BV). Simulações ATLAS calibradas experimentalmente demonstram que um SP de 700 nm de comprimento e 4,6 µm de largura proporciona um aumento de seis vezes na Figura de Mérito de Baliga (BFOM = BV²/R_ON) em relação a um dispositivo sem padrão, sem sacrificar a área do dispositivo. A nanoestrutura do pilar e do SP permite integração de alta densidade, posicionando esta arquitetura como forte candidata para a eletrônica de potência do futuro.

Introdução

Semicondutores de banda larga, como ZnO, In₂O₃, SiC e GaN, têm atraído atenção significativa devido às suas altas tensões de ruptura e superior estabilidade térmica. Em particular, o HEMT (transistor de alta mobilidade de elétrons) lateral AlGaN/GaN é um candidato líder para substituir dispositivos de Si em aplicações de potência e RF. Diversas estratégias — incluindo capas do tipo p, implantação de íons flúor, barreiras finas, projetos de duplo canal e portas acopladas por campo — foram exploradas para realizar HEMTs de modo de realce que simplificam circuitos de driver. No entanto, essas abordagens enfrentam desafios como não uniformidade da tensão de limiar, BFOM limitado e uso excessivo de área do chip. A compensação entre o comprimento de deriva e a BV dificulta ainda mais a escalabilidade do dispositivo.

FETs verticais de GaN (VFETs) mitigam muitos desses problemas ao explorar o canal vertical completo e oferecer operação de modo de realce mais fácil. Estudos recentes focaram em aumentar a BV enquanto reduzem o R_ON através de inovações estruturais, mas a ausência de um 2DEG de alta mobilidade frequentemente resulta em resistências maiores, limitando a otimização do BFOM.

Nosso trabalho introduz um FET vertical de GaN que incorpora simultaneamente um canal 2DEG e um substrato padronizado. Essa combinação equilibra baixo R_ON com alta BV, enquanto o pilar em nanoescala e o SP permitem integração densa de dispositivos.

Método

O dispositivo é fabricado sobre um wafer padrão Al_0,23GaN/GaN, com um substrato do tipo n fortemente dopado servindo como dreno. As espessuras das camadas são: SiN (105 nm), AlGaN (20 nm) e GaN (5 µm). Um buffer n-GaN de 2×10¹⁶ cm⁻³ e uma capa p-GaN composta de 2×10¹⁷ cm⁻³ formam o buffer e o canal composto, respectivamente. Uma fina camada de AlGaN induz o 2DEG, e o SP — tipicamente Al₂O₃ — é crescido sobre o substrato.

O esquema a mostra a estrutura 3D do pilar, e b apresenta a seção transversal com as dimensões rotuladas do SP-VFET proposto.

A sequência de fabricação é direta: (1) crescimento epitaxial do substrato de condução e camada do SP; (2) gravação seletiva do padrão do SP; (3) deposição e polimento do buffer n-GaN; (4) deposição da barreira AlGaN e capa p-GaN; (5) formação de eletrodos e passivação.

Simulações ATLAS são calibradas contra dados experimentais de um HEMT de modo de realce com capa p-GaN. Parâmetros do dispositivo estão listados na Tabela 1, e características de armadilhas de interface na fronteira SP/GaN são derivadas de medições de capacitância. Cargas de polarização são calculadas via abordagem de ajuste quadrático.

Mecanismo Físico

No estado ligado, o SP-VFET exibe um caminho altamente condutivo devido ao 2DEG, enquanto o canal vertical estreito limita a condutância geral. O 2DEG na interface AlGaN/GaN sustenta o fluxo de corrente lateral, compensando parcialmente a resistência vertical. Dispositivos sem o canal 2DEG experimentam resistência marcadamente maior.

Fluxo de corrente direta: a dispositivo sem SP, b SP-VFET com SP curto, c SP-VFET com SP longo.

Simulações mostram que o comprimento da capa p-GaN tem impacto mínimo no campo elétrico de pico até exceder 700 nm, ponto em que a capa cobre toda a superfície. O pico de campo permanece no canto da p-GaN independentemente do comprimento, mas uma capa mais longa achata a distribuição do campo, aumentando ligeiramente a resistência devido ao esgotamento do 2DEG.

Campo elétrico ao longo da interface AlGaN/GaN para diferentes comprimentos de p-GaN.

Um modelo analítico de resistência no estado ligado (Fig. 4) mostra que o canal 2DEG domina a condutância; a resistência do caminho vertical torna-se significativa apenas quando o comprimento do SP cresce. A resistência no estado ligado aumenta hiperbolicamente com o comprimento do SP, mas permanece praticamente inalterada pela altura do SP abaixo de 4,7 µm, confirmando a resiliência do 2DEG.

Redes de resistência no estado ligado: a sem SP, b com SP.

No estado desligado, as armadilhas de interface carregadas negativamente do SP redistribuem o campo elétrico sob a capa p-GaN, reduzindo picos de campo e expandindo a região de esgotamento. Essa redistribuição melhora a tensão de ruptura enquanto aumenta modestamente o R_ON devido à compensação do 2DEG. Consequentemente, o BFOM flutua com as dimensões do SP.

Distribuição de campo elétrico e região de esgotamento: a sem SP, b SP-VFET com SP curto, c SP-VFET com SP longo.

Distribuição de campo ao longo das interfaces p-GaN/AlGaN (a) e GaN/SP (b).

Resultados e Discussão

Características de transferência e saída para dispositivos sem SP (Fig. 7) mostram dependência insignificante do comprimento da capa p-GaN, confirmando o papel do 2DEG em manter condutância consistente. O comprimento mínimo da capa é 400 nm para evitar concentração excessiva de campo próximo à porta.

Curvas de transferência (a) e saída (b) sem SP para vários comprimentos de p-GaN.

Para SP-VFETs (Fig. 8), a resistência no estado ligado permanece constante para alturas de SP abaixo de 4,7 µm, mas aumenta com o comprimento do SP, consistente com o estreitamento do canal vertical. O canal 2DEG permanece largamente inalterado por alturas moderadas de SP; apenas quando o SP é adjacente ao 2DEG a carga negativa o esgota significativamente.

Curvas de saída para variação de largura (a) e comprimento (b) do SP versus dispositivo sem SP.

Mapas de densidade de corrente (Fig. 9) confirmam que o SP estreita o canal vertical, enquanto a corrente lateral permanece primariamente transportada pelo 2DEG. A densidade de corrente geral muda apenas ligeiramente com a altura do SP.

Densidade de corrente: (a) dispositivo sem SP, (b)–(d) SP-VFET com diferentes dimensões de SP.

Valores extraídos de R_ON e BV (Fig. 10a) revelam aumento hiperbólico da resistência com o comprimento do SP, enquanto a BV sobe até o comprimento do SP atingir 700 nm. O BFOM atinge pico de 125 MW cm⁻² para comprimento de SP de 700 nm e altura de 4,6 µm, representando melhoria de seis vezes sobre o dispositivo não padronizado.

(a) R_ON e BV extraídos; (b) BFOM versus comprimento e largura do SP.

A BV aprimorada decorre da capacidade do SP de redistribuir o campo elétrico, mitigando concentrações de pico sob a capa p-GaN. As armadilhas de interface carregadas negativamente criam um campo adicional que contrapõe o campo induzido por esgotamento, expandindo a região de esgotamento e reduzindo caminhos de vazamento. Mapas simulados de campo elétrico (Fig. 12) e análises de linha de corte (Fig. 13) ilustram como o aumento do comprimento do SP achata o campo e o concentra na borda do SP, que possui um campo crítico mais alto.

Campo elétrico ao redor da porta para 300 V de dreno: (a) sem SP, (b)–(d) SP-VFET.

Perfis de campo elétrico horizontal (a) e perpendicular (b) ao longo da linha de corte na borda do SP.

Conclusão

Este estudo demonstra um novo FET vertical de GaN que aproveita um canal 2DEG e um padrão de substrato em nanoescala para melhorar marcadamente o BFOM. Ao mitigar o pico de campo elétrico sob a capa p-GaN e criar uma nova região de alto campo através do SP, o dispositivo atinge uma melhoria de seis vezes no BFOM com comprimento de SP de 700 nm e altura de 4,6 µm. O design compacto do pilar e a pegada mínima do SP tornam a arquitetura altamente adequada para aplicações de potência integradas densas.

Abreviações

n_A

Concentração de dopagem do GaN tipo p

n_D

Concentração de dopagem do GaN tipo n

2DEG

Gás de elétrons bidimensional

Al_0,23GaN

Nitreto de alumínio e gálio (23% Al)

Al₂O₃

Óxido de alumínio

BFOM

Figura de Mérito de Baliga

SP

Padrão de substrato

E-field

Campo elétrico

FET

Transistor de efeito de campo

GaN

Nitreto de gálio

HEMT

Transistor de alta mobilidade de elétrons

H_G

Altura da porta

H_W

Altura do padrão de substrato

L_D

Comprimento do dispositivo

L_G

Comprimento da porta

L_P

Comprimento da capa p-GaN

L_W

Comprimento do padrão de substrato

SiN

Nitreto de silício

SP-VFET

Transistor de efeito de campo vertical com padrão de substrato

W_D

Profundidade do dispositivo

σ_p

Carga de polarização